Giá trị năng lượng bức xạ ròng mặt trời (Rn) đại diện cho năng lượng bức xạ thực tế tại bề mặt đất. Nó là hiệu số giữa bức xạ mặt trời đi tới bề mặt đất và lượng bức xạ phản xạ, phát xạ từ bề mặt đất trở về khí quyển. Bức xạ rịng hấp thụ bởi mặt đất được mô tả bằng biểu thức sau:
Rn = RS↓ - α RS↓ + RL↓ - RL↑ - (1-εo) RL↓ (1.9) Trong đó: RS↓ - Năng lượng tới sóng ngắn (W/m2/giờ); α RS↓ - Năng lượng phản xạ sóng ngắn (W/m2/giờ); RL↓ - Năng lượng tới sóng dài (W/m2/giờ); RL↑ - Năng lượng phát xạ sóng dài (W/m2/giờ); (1-εo)RL↓ - Năng lượng phản xạ sóng dài(W/m2/giờ).
Trong cơng thức (1.9) tính bức xạ rịng bề mặt đất hấp thụ, tia tới sóng ngắn RS↓ cịn lưu lại trên mặt đất là một hàm số của suất phân sai bề mặt đất α. Suất phân sai bề mặt là một hệ số phản xạ được định nghĩa là tỷ số giữa năng lượng bức xạ, phản xạ đến các năng lượng bức xạ liên quan trong quang phổ mặt trờị Nó được tính tốn bằng cách sử dụng thơng tin hình ảnh vệ tinh về quang phổ cho mỗi kênh ảnh của vệ tinh. Tia tới sóng ngắn R S↓ được tính tốn sử dụng hằng số mặt trời, góc tới năng lượng mặt trời, khoảng cách tương đối giữa Mặt trời và Trái đất, tính tốn truyền
CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG BỐC THOÁT HƠI NƯỚC ET
ET = Rn – G – H
G (Thông lượng nhiệt mặt đất hấp thụ)
Rn (Bức xạ ròng mặt trời) ET
(Bốc thốt hơi nước) H (Thơng lượng nhiệt
cảm ứng)
dẫn qua khí quyển. Tia tới sóng dài RL↓ được tính tốn bằng sử dụng phương trình Stefan-Boltzmann với sự truyền dẫn qua khí quyển và nhiệt độ tham chiếu bề mặt được chọn. Tia phát xạ sóng dài RL↑ được tính tốn sử dụng phương trình Stefan- Boltzmann với tính tốn sự phát xạ bề mặt và nhiệt độ bề mặt. Nhiệt độ bề mặt được tính tốn từ thơng tin ảnh vệ tinh trên kênh bức xạ nhiệt. Độ phát xạ bề mặt là tỷ số giữa bức xạ phát xạ thực tế từ bề mặt phát xạ bởi một vật đen ở nhiệt độ bề mặt tương ứng. Trong mơ hình SEBAL, phát xạ được tính tốn từ hàm chỉ số thực vật. Cuối cùng tia phản xạ sóng dài (1-εo) RL↓ là đại diện cho phần của bức xạ sóng dài đi đến nó là sự mất đi từ bề mặt do phản xạ.
Năng lượng cần thiết cho sự bốc thốt hơi nước từ bề mặt được tính theo các tham số của phương trình (1.9). Trong đó, thơng nhiệt bề mặt hấp thụ G được tính theo kinh nghiệm sử dụng chỉ số thực vật, nhiệt độ bề mặt, suất phân sai bề mặt. Năng lượng nhiệt cảm ứng được tính bằng cách sử dụng các số liệu quan trắc như tốc độ gió, ước tính độ nhám bề mặt và sự khác biệt nhiệt độ khơng khí trên bề mặt. Mơ hình SEBAL đã sử dụng quá trình tính lặp đi lặp lại một cách chính xác cho sự thay đổi trong khí quyển do ảnh hưởng của xu thế đi lên của nhiệt bề mặt.
Dòng nhiệt ẩn 𝜆𝐿𝐸 được tính tốn cho từng điểm ảnh, với lượng bốc thoát hơi nước tức thời ET tương ứng được tính tốn dễ dàng bằng cách chia cho nhiệt ẩn làm bay hơi nước (𝜆). Tất cả các giá trị đó được sử dụng ngoại suy từ tỷ số giữa lượng bốc hơi nước tức thời ET và lượng bốc thoát hơi nước tham chiếu cây trồng ET theo ngày hoặc theo mùạ Lượng bốc thoát hơi nước tham chiếu, bốc thoát hơi nước theo giai đoạn ETr, được xác định từ bề mặt chuẩn với điều kiện lớp phủ kín cỏ linh lăng và được tính tốn trong mơ hình SEBAL sử dụng dữ liệu khí tượng.
Mơ hình SEBAL có thể tính tốn lượng bốc thoát hơi nước cho vùng bằng phẳng, khu vực nơng nghiệp với độ chính xác tin cậỵ
1.3.2. Mơ hình chỉ số cân bằng năng lượng bề mặt SEBI (Surface Energy Balance Index)
Bản chất của mơ hình chỉ số cân bằng năng lượng bề mặt là dựa trên sự tương phản giữa vùng ẩm ướt và vùng khô (Choudhury và Menenti 1993) đã đề xuất mơ hình SEBI để tính tốn lượng bốc thốt hơi nước từ những vùng nhỏ dễ bay hơị Mơ
hình này dựa trên chỉ số thực tế sử dụng nước của cây trồng (CWSI, giá trị bốc hơi tương đối được xác định bằng tổng hợp nhiệt độ quan sát trong một phạm vi tối đa của nhiệt độ bề mặt, cân bằng năng lượng bề mặt cho thấy một giới hạn lý thuyết trên và dưới về sự khác biệt bề mặt và nhiệt độ khơng khí. Ở đây theo điều kiện khô, bay hơi được giả định là 0 cho các điểm lớp ranh giới để mật độ thông lượng nhiệt hợp lý có giá trị lớn nhất Ts, max (nhiệt độ bề mặt lớn nhất). Ts, max là nghịch đảo của phương trình chuyển đổi khối lượng, nó được tính như sau:
𝑇𝑠,𝑚𝑎𝑥 = 𝑇𝑝𝑏𝑙 + 𝑟𝑎,𝑚𝑎𝑥( 𝐻
𝜌𝐶𝑝) (1.10)
Trong đó: 𝑇𝑝𝑏𝑙 – đại diện cho lớp nhiệt độ đường biên trung bình của địa cầu (0K), 𝑟𝑎,𝑚𝑎𝑥 - Khí động học làm chuyển đổi nhiệt hợp lý (s/m).
Nhiệt độ thấp nhất của bề mặt thu được cho các khu vực ẩm ướt từ phương trình (1.11) bằng cách tính tốn lượng bốc thốt hơi nước tiềm năng từ phương trình Penman-Monteith khơng xem xét sự đề kháng ở bên trong:
𝑇𝑠,𝑚𝑖𝑛 = 𝑇𝑝𝑏𝑙+ 𝑟𝑎,min (𝑅𝑛− 𝐺) 𝜌𝐶𝑝 − (𝑒𝑠𝑎𝑡 − 𝑒) 𝛾 1 +∆𝛾 (1.11)
Trong đó: Ts, min - Đại diện cho khí động học tối thiểu (s/m), e và 𝑒𝑠𝑎𝑡 - Đại diện cho áp suất hơi nước thực tế và áp suất hơi nước bão hòa, Δ - Độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hịa của khơng khí (kPa/°C), γ - Hằng số Psychrometric (kPa/°C).
Nội suy giá trị nhiệt độ bề mặt quan sát với giá trị nhiệt độ lớn nhất và nhỏ nhất của bề mặt, phần bay hơi tương đối sau đó sẽ được tính theo cơng thức sau:
𝐿𝐸
𝐿𝐸𝑝 = 1 −
∆𝑇 × 𝑟𝑎−1− ∆𝑇𝑚𝑖𝑛× 𝑟𝑎,𝑚𝑖𝑛−1
∆𝑇𝑚𝑎𝑥 × 𝑟𝑎,𝑚𝑎𝑥−1 − ∆𝑇𝑚𝑖𝑛× 𝑟𝑎,𝑚𝑖𝑛−1 (1.12)
Trong đó: ΔT = Ts − Tpbl, ΔTmin = Ts, min − Tpbl, và ΔTmax = Ts, max − Tpbl. Nhiệt độ bề mặt Ts được xác định bằng sử dụng kênh ảnh cận hồng ngoại nhiệt cho từng điểm ảnh, trong đó Tpbl là nhiệt độ tiềm năng của khơng khí ở phía trên của đỉnh khí quyển. Biến đổi mơ hình CWSI, Menenti and Choudhury xác định về mặt lý thuyết
các dãy điểm tối ưu cho LE và Ts tính tốn ngun nhân sự biến đổi bốc hơi thực tế bề mặt do có độ phản xạ và độ nhám khí động học.
Đối với bề mặt cụ thể với suất phân sai bề mặt thay đổi và gồ ghề, điểm ảnh tối ưu và nhiệt độ bề mặt nhỏ nhất được xác định lại theo mơ hình CWSỊ Điểm ảnh tối ưu trong mơ hình SEBI được tính tốn để có được giá trị bốc hơi nước cho vùng từ phần bay hơi tương đốị
1.3.3. Mơ hình Hệ thống cân bằng năng lượng bề mặt SEBS (Surface Energy Balance System)
Một mơ hình nổi tiếng là hệ thống cân bằng năng lượng bề mặt là SEBS (Su 2002, 2001, 2005, Su và cộng sự 2003) đã thiết kế sửa đổi từ mơ hình SEBI cho việc ước tính cân bằng năng lượng bề mặt sử dụng dữ liệu viễn thám, được đặt tên là SEBS. Mơ hình SEBS ước tính dịng nhiệt hợp lý và dòng nhiệt ẩn từ dữ liệu vệ tinh và từ những dữ liệu khí tượng thơng thường có sẵn. Tính tốn các tham số vật lý của bề mặt đất, tính tốn độ dài của độ nhám cho sự truyển nhiệt, và ước tính phần nước bay hơi dựa vào cân bằng năng lượng ở các trường hợp giới hạn là cơ sở chính của phương pháp SEBS. Trong mơ hình SEBS, dịng nhiệt ẩn làm bốc thốt hơi nước được coi bằng 0 ở điều kiện giới hạn khơ, nghĩa là dịng nhiệt hợp lý đạt giá trị lớn nhất của nó khi đó Hdry = Rn − G. Mặt khác, ở giới hạn ẩm, giá trị ET diễn ra tại thời điểm đó theo tỷ lệ mức tiềm năng (LEwet), khi đó sự bay hơi chỉ bị hạn chế bởi năng lượng sẵn có cho một bề mặt riêng biệt và điều kiện khí quyển và thơng lượng nhiệt hợp lý đạt giá trị nhỏ nhất của nó, Hwet. Dịng nhiệt hợp lý tại giới hạn khơ và ẩm được thể hiện như sau:
𝐻𝑑𝑟𝑦 = (𝑅𝑛 − 𝐺) (1.13) 𝐻𝑤𝑒𝑡 =(𝑅𝑛− 𝐺)𝛾 (𝛾 + ∆) − 𝜌𝐶𝑝(𝑒𝑠𝑎𝑡 − 𝑒) 𝑟𝑎 (𝛾 + ∆) (1.14)
Trong đó: ra - phụ thuộc vào độ dài của Obukhov, nó là hàm của tốc độ ma sát và thông nhiệt lượng hợp lý. Phần bốc hơi nước tương đối (EFr) và phần bốc hơi (EF) khi đó được thể hiện như sau:
𝐸𝐹𝑟 = 𝐻𝑑𝑟𝑦− 𝐻
𝐻𝑑𝑟𝑦− 𝐻𝑤𝑒𝑡 (1.15)
𝐸𝐹 =𝐸𝐹𝑟− 𝐿𝐸𝑤𝑒𝑡
𝑅𝑛− 𝐺 (1.16
Bằng cách sử dụng lý thuyết tương tự, một sự phân biệt trong mơ hình SEBS giữa lớp biên của khí quyển và lớp bề mặt khí quyển. Phân biệt như vậy để có chiều cao của lớp đường biên khí quyển là một tham chiếu của nhiệt độ khơng khí tiềm năng để tính tốn dịng nhiệt.
Ưu điểm chính của mơ hình SEBS bao gồm: (1) Xem xét sự cân bằng năng lượng trong các trường hợp giới hạn, giảm thiểu sự không chắc chắn liên quan đến nhiệt độ bề mặt và sự thay đổi thời tiết; (2) đưa ra công thức mới về chiều cao độ nhám địa hình cho sự truyền nhiệt thay vì sử dụng các giá trị khơng đổi; (3) đặc trưng cho dòng nhiệt thực tế thay đổi bất thường mà không cần kiến thức kinh nghiệm nào; và (4) đại diện cho các thông số liên quan đến phản xạ của bề mặt.
1.3.4. Mơ hình chỉ số cân bằng năng lượng bức xạ bề mặt đơn giản S-SEBI (Simplified Surface Energy Balance Index) (Simplified Surface Energy Balance Index)
Một phương pháp mới nhận được từ đơn giản hóa mơ hình chỉ số cân bằng năng lượng bề mặt (SEBI), được gọi là mơ hình chỉ số cân bằng năng lượng bề mặt đơn giản (S-SEBI), đã được phát triển để tính thơng lượng nhiệt bề mặt từ dữ liệu viễn thám (Roerink và cộng sự 2000). Tương phản giữa bề mặt (albedo) độ phụ thuộc lớn nhất về phản xạ và nhiệt độ bề mặt nhỏ nhất với vùng khơ và ẩm, là cơ sở chính của phương pháp này để phân vùng năng lượng sẵn có thành năng lượng nhiệt hợp lý và năng lượng nhiệt ẩn. Các dữ liệu khí tượng bổ sung có thể được chiết suất trên các cảnh ảnh nghiên cứụ Bằng cách giả định rằng bức xạ tồn cầu và nhiệt độ khơng khí là ổn định, sự giải thích về điều kiện vật lý về sự phản xạ bề mặt quan sát và nhiệt độ trong cách tiếp cận của mơ hình S-SEBI có thể đưa ra khi đặc tính của bề mặt với sự thay đổi cảnh ảnh giữa vùng tối/ẩm ướt và vùng khô/sáng của các điểm ảnh. Sự phản xạ thấp, nhiệt độ bề mặt cịn lại hầu như khơng đổi với phản xạ tăng lên bởi vì có lượng nước bên dưới đủ trong các điều kiện. Sự phản xạ cao, do tăng lên của nhiệt độ bề mặt đến một giá trị với sự tăng lên của phản xạ và được định nghĩa là "bốc hơi
được kiểm sốt" vì thực tế rằng sự thay đổi về nhiệt độ ở giai đoạn này là hoàn toàn được kiểm sốt bởi giảm bốc hơi do độ ẩm sẵn có trong đất là ít. Ngồi sự chuyển đổi đường cong của phản xạ, nhiệt độ bề mặt giảm với sự tăng lên của phản xạ bề mặt. Tại thời điểm này, giá trị độ ẩm của đất giảm xuống tới một mức độ mà sự bay hơi khơng thể xảy rạ Vì vậy, năng lượng sẵn có được sử dụng làm nóng bề mặt. Như vậy, sự tăng lên của trường phản xạ bề mặt là suy giảm bức xạ rịng, do đó nhiệt bề mặt tạo ra là nhỏ tương ứng với nhiệt độ, nó được gọi là “bức xạ kiểm sốt” (Roerink và cộng sự 2000, Liou và cộng sự 2002). Ở đây, phần bay hơi (EF) được hạn chế bởi các vùng khô và ẩm ướt và công thức đưa ra bởi nội suy phản xạ phụ thuộc nhiệt độ bề mặt giữa phản xạ phụ thuộc lớn nhất và nhỏ nhất của nhiệt độ bề mặt như trong phương trình (1.17):
𝐸𝐹 = (𝑇𝐻− 𝑇𝑠)
(𝑇𝐻− 𝑇𝐿𝐸) (1.17)
Trong đó: 𝑇𝐻- nhiệt độ bề mặt tương ứng với điều kiện khơ nó đại diện cho dòng nhiệt ẩn nhỏ nhất (LEdry = 0) và dòng nhiệt ẩn lớn nhất (Hdry = Rn − G); 𝑇𝐿𝐸- nhiệt độ bề mặt tương ứng với điều kiện ẩm nó đại diện cho dịng nhiệt ẩn lớn nhất (LEwet =(Rn − G )) và thông nhiệt lượng hợp lý nhỏ nhất (Hwet = 0) cho sự phản xạ bề mặt được thể hiện dưới sơ đồ hình 1.6 sau:
H(α)(max) Nh iệt đ ộ bề m ặt T s Chuyển đổi bức xạ H(khô) LE(ướt) Chuyển đổi bốc
thoát hơi nước TS
TLE TH
α
Suất phân sai bề mặt đất α
LE(α)(max)
Giá trị 𝑇𝐻 𝑣à 𝑇𝐿𝐸 được tính tốn bằng sử dụng mơ hình hồi quy sau:
𝑇𝐻 = 𝐶𝑚𝑎𝑥− 𝑑𝑚𝑎𝑥𝛼 (1.18) 𝑇𝐿𝐸 = 𝐶𝑚𝑖𝑛− 𝑑𝑚𝑖𝑛𝛼 (1.19)
Trong đó: các hệ số kinh nghiệm 𝐶𝑚𝑎𝑥, 𝑑𝑚𝑎𝑥, 𝐶𝑚𝑖𝑛 𝑣à 𝑑𝑚𝑖𝑛 được ước tính từ biểu đồ phân bố của 𝑇𝑠 𝑣à 𝛼 trong khu vực nghiên cứụ Giá trị EF được tính tốn từ
công thức (1.17) sử dụng các tham số ở công thức (1.18) và (1.19).
Các ưu điểm chính của mơ hình S-SEBI đưa ra là: dữ liệu đo đạc ngồi thực địa là không cần thiết để xác định bốc hơi nước EF loại trừ các dữ liệu về nhiệt độ và phản xạ bề mặt (albedo) bắt nguồn từ dữ liệu viễn thám nếu các tham số bề mặt hiện tại có trong dữ liệu viễn thám; (2) Nhiệt độ khắc nghiệt với các điều kiện ẩm ướt và khô thay đổi theo sự thay đổi giá trị của hệ số phản xạ (albedo), nhưng trong phương pháp khác như SEBAL, thì nhiệt độ cố định được xác định cho điều kiện ẩm ướt và khơ.
1.3.5. Mơ hình về bản đồ bốc thoát hơi nước độ phân giải cao với hiệu chỉnh bên trong METRIC (Mapping ET with Internalized Calibration) trong METRIC (Mapping ET with Internalized Calibration)
Bản đồ bốc thoát hơi nước độ phân giải cao với hiệu chỉnh bên trong (METRIC) là một sự thay đổi của mơ hình SEBAL, là một mơ hình cân bằng năng lượng được phát triển tại Hà Lan. Nó cũng là một cơng cụ xử lý hình ảnh để lập bản đồ ET khu vực trên các bề mặt phức tạp như là phần dư của cân bằng năng lượng tại bề mặt trái đất. (METRIC) đã được mở rộng từ mơ hình SEBAL thơng qua phân tích các số liệu về lượng bốc thốt hơi nước tham chiếu ET, nó được tính tốn từ dữ liệu thời tiết đo đạc tại các trạm ngoài thực địạ Các nguyên tắc cơ bản của mơ hình METRIC là sự bốc hơi của các giọt nước bị hấp thụ nhiệt theo như nghiên cứu của (Allen và cộng sự 2005, 2007) để nhận được giá trị bốc hơi nước ET từ dữ liệu viễn thám trong các kênh phổ trong vùng ánh sáng nhìn thấy, cận hồng ngoại, hồng ngoại nhiệt và các giá trị đo đạc về tốc độ gió và nhiệt độ điểm sương gần mặt đất. Hai điều kiện cố định được lựa chọn trong một cảnh ảnh quan sát trong khu vực để hiệu chỉnh các tính tốn thơng lượng nhiệt hợp lý và dòng nhiệt ẩn để khắc phục điều kiện biên cho cân bằng năng lượng. Sự hiệu chỉnh bên trong là cần thiết cho một sự hiệu chỉnh độ dày khí quyển của nhiệt độ bề mặt hoặc phản xạ bề mặt (albedo) đo đạc bằng sử
dụng mơ hình chuyển đổi bức xạ (Long và cộng sự 2010). Việc hiệu chỉnh nội bộ, đơn giản như phương pháp SEBAL, cũng làm giảm ảnh hưởng tới xu hướng đánh giá hiệu chỉnh sự ổn định của khí động học và độ nhám của bề mặt. Việc hiệu chỉnh được chọn bằng tay với các điểm ảnh nóng và lạnh để xác định phạm vi của gadiant nhiệt theo chiều thẳng đứng (dT) phía trên bề mặt đất. Điều kiện lạnh thường là trong môi trường tưới tiêu chuẩn trồng cỏ linh năng ở đó ET = ETr (bốc hơi nước tham khảo cho khu vực trồng cây cỏ linh năng có chiều cao 0,5m với đơn vị đo bốc thoát hơi nước là mm/h). Điều kiện nóng thường là mơi trường nơng nghiệp khơ khơng có cây trồng ở đó ET =0. Khi nhiệt độ bề mặt Ts và dT được tính tốn tương ứng với điều kiện nóng và lạnh, mối quan hệ tuyến tính theo cơng thức dT = cTs + d được xác định. Tuy nhiên, bối cảnh phụ thuộc của mơ hình SEBAL, METRIC, và mơ hình tam giác đã được chỉ ra trong một nghiên cứu gần đây (Bastiaanssen và cộng sự 1998). Các